實用的私有信息檢索及其應用研究.pdf

1、現(xiàn)如今，網絡通信的快速發(fā)展和電子商務活動的蓬勃興起，各種網絡設施也與之進步。數據庫，作為信息的存儲系統(tǒng)，是IT設施的基石之一，為用戶提供了數據存儲和共享服務。為了獲得最新的信息，數據庫是必不可少的訪問資源。然而，用戶從數據庫或網絡服務中查詢的內容往往是非常敏感的，例如專利數據庫，醫(yī)藥數據庫，股票報價等等，這些查詢內容隨時隨地都有可能將用戶的私有信息或興趣愛好等隱私暴露給數據庫提供商。因此，在用戶查詢數據庫的過程中保護用戶的查詢隱私至關重

2、要。私有信息檢索(Private Information Retrieval，PIR)就是用戶在檢索數據庫記錄時，向數據庫服務器方隱藏查詢記錄的身份信息，從而保護用戶的查詢隱私不被泄露。私有信息檢索由Chor于1995年首次提出概念和模型，并于1998年給出規(guī)范化定義：數據庫擁有n比特字符串d1d2…dn，其中i∈{1，2…，n}為數據項索引。用戶向數據庫發(fā)出請求q(i)，要求查詢第i個數據項di，數據庫服務器在不知道i的任何信息的情況

3、下將di發(fā)送給用戶。此后，私有信息檢索問題吸引了大量研究者的關注。一個有效的私有信息檢索主要由用戶檢索出一條記錄時的通信復雜度和計算開銷來衡量。私有信息檢索不僅可以保護用戶的查詢隱私，還可以應用于公鑰加密系統(tǒng)查詢、匿名認證，PIR-Writing等各種場合中。
　　 保護用戶的查詢隱私是非常重要，但是隨著云存儲服務的流行，越來越多的用戶喜歡將他們的加密信息存儲在云數據庫中。當用戶需要更新數據庫數據時，保護用戶的更新隱私不被泄露于

4、數據庫服務器也是必要的。PIR-Wring就是用戶在更新數據庫的記錄時，保護更新記錄的索引及更新的內容不會泄露給數據庫服務器。PIR-Writing是私有信息檢索中一個重要的分支。2007年，Boneth，D等人首次提出一個有效的PIR-Writing方案。PIR-Writing的數學模型如下：私有數據f={f1，f2，…fn}被(用戶)加密后存儲在數據庫上，其中i∈{1，2…，n}為數據項索引，每條記錄為ιbits。用戶將第i(1≤i

5、≤n)條記錄fi更新為y，而數據庫服務器不知道“i”的信息，也不知道更新的內容y。
　　 由于對私有信息檢索逐漸深入地研究，根據安全模型，可將已存在的PIR方案大致劃分為三類：信息論PIR(Information Theoretical Private Information Retrieval，IPIR)；計算安全的PIR(Computational Private Information Retrieval，CPIR；基于安

6、全硬件的PIR(Hardware-based PIR，HW-PIR)。但是，當前已存在的PIR協(xié)議由于較高的通信復雜度和計算復雜度(與數據庫的大小n相關)大多數都只具有理論意義，不適合用于實際的應用環(huán)境或大型數據庫中。在半誠實模型下，從實用性和安全性角度出發(fā)，本文主要進行了如下研究工作：
　　 1.基于安全處理器(Secure Coprocessor，SC)，結合CPIR中計算難題的安全性，提出一個新的加密數據庫的HW-PIR協(xié)

7、議。通過比特流置換和代理重加密思想，保證了HW-PIR在線查詢的最高效率O(1)，同時降低安全處理器SC預處理階段的計算量。該方案使用戶的查詢隱私不會泄露給數據庫服務器，還防止用戶查詢內容與數據庫的隱私泄露給SC和惡意攻擊者，安全性更強。特別地，方案中SC可以負載其它宿主，減輕查詢服務器的負載，對被頻繁查詢的數據庫來說，具有實用價值。
　　 2.對PIR-Writing深入研究。目前PIR-Writing的通信復雜度(O(klo